珠江三角洲水資源配置工程某區間隧道橫向貫通誤差預計

路 元

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

珠江三角洲水資源配置工程輸水線路西起西江干流佛山順德江段鯉魚洲，經廣州南沙區新建的高新沙水庫，向東至東莞市松木山水庫、深圳市羅田水庫、公明水庫，輸水線路總長度為113.2 km。為了踐行“創新、協調、綠色、開放、共享” 的發展理念，給沿線區域未來開發建設預留地下淺層空間，全線采用地下深埋盾構的方式，在縱深40～60 m 的地下建設輸水隧洞[1]。因此，各個區間隧道的順利貫通成了工程成功的關鍵性工作之一。該區間隧道位于廣東省佛山市順德區境內，標段為鯉魚洲取水口至高新沙水庫干線的其中一部分，區間隧道為LG3#工作井始發至LG2#工作井，長度為2 944 m。LG02#和LG03#都是直徑 35.9 m的圓井，LG02#開挖深度57.7 m，LG03#開挖深度73.98 m。區間隧道示意圖如圖1所示。

圖1 區間隧道示意

1 橫向貫通誤差分配

隧道貫通測量平面偏差發生在兩個方向，第一種是沿隧道中心線方向的誤差，稱之為縱向貫通誤差，只對隧道的長度有影響；第二種是水平面內垂直于隧道中心線方向的左右偏差，稱之為橫向貫通誤差。后者對隧道質量有直接的影響，所以又稱為貫通重要方向偏差[2-3]。

橫向貫通誤差的來源包括洞外控制測量的誤差、聯系測量的誤差、洞內導線測量的誤差以及施工誤差。其中施工誤差可以忽略不計[4]。由誤差傳播定律有橫向貫通誤差MGT為

(1)

式中M地面為地面控制網的誤差；M聯系1、M聯系2為聯系測量的誤差；M導線1、M導線2為洞內導線測量的誤差。

通常情況下，在兩端豎井深度相差不大時可認為兩端的聯系測量的誤差是一致的，即M聯系=M聯系1=M聯系2，由于盾構施工中，不是相向施工，貫通面在LG2#接收井與隧道交界處，貫通面方位角為259°06′49.9″，所以沒有導線2的測量，即M導線2=0，則貫通誤差MGT可寫為：

(2)

《工程測量規范》(GB 50026—2007)和《水利水電工程施工測量規范》(SL 52—2015)要求相向開挖隧道的隧道橫向貫通誤差限差不應超過100 mm。取限差的1/2作為貫通面上的貫通中誤差?！豆こ虦y量規范》(GB 50026—2007)對各影響因素引起的貫通誤差分配值見表1。

表1 隧道控制測量對貫通中誤差的限值[5]

2 測量方法及誤差預計

2.1 地面GPS控制網

該隧道控制網采用GPS控制網布設，首級控制網由建設單位移交的7個三等工程控制點，加密控制網采用同等精度加密，在每個工作井周圍布設3個控制點(網型見圖2)。最短基線為202 m，最長基線為4.7 km，相鄰基線邊長相差較大。采用6臺GPS雙頻接收機(標稱精度由于3 mm+0.5 ppm)進行觀測，同一隧洞進、出洞口的控制點必須進行至少1次的同步觀測，其他控制點間距離較短的基線應當觀測。根據廣播星歷采用中海達HGO軟件進行基線解算，采用COSA_GPS進行重復基線、同步環、異步環閉合差檢驗，選擇控制網內一點的WGS84坐標作為基準進行三維無約束平差，檢驗網的內部符合精度，經檢驗未發現異常點，經二維約束平差后的精度見表2。

圖2 區間隧道地面GPS控制網網型示意

GPS網可以認為是觀測了邊長和方向的邊角網，隧道地面GPS控制網引起的橫向貫通誤差可參考地面邊角網嚴密估算公式[6]進行估算。

d(ΔyP)=-aJAΔxJPdxJ-(1+bJAΔxJP)dyJ+aJAΔxJPdxa+bJAΔxJPdya+aCBΔxCPdxc+(1+bCBΔxCP)dC-aCBΔxCPdxB-bCBΔxCPdyB

(3)

式中ΔyP為從進、出口推算貫通點P橫坐標差；a、b為進、出口端的方向系數；Δx為相應的坐標差。

表2 約束平差后地面控制網精度統計

使用COSA_GPS軟件對地面GPS網進行計算，GPS測量引起的貫通誤差見表3。

表3 GPS測量引起的區間隧道貫通誤差估算結果

2.2 聯系測量

本區間隧道兩端豎井LG02#和LG03#都是直徑為35.9 m的圓井，LG02#開挖深度為57.7 m，LG03#開挖深度為73.98 m，開挖深度較深，聯系的方法選擇聯系三角形法。聯系三角形法是一種傳統方法，在采礦業中和國內地鐵工程中許多單位在使用該方法[7-8]。聯系三角形法示意見圖3。

圖3 聯系測量示意

懸掛0.5 mm鋼絲、施掛10 kg重錘并浸放在穩定液中。鋼絲上、下合適位置粘貼反射片供全站儀照準。鋼尺測量兩鋼絲間水平距離作為全站儀測量反算距離的校核。

在豎井定向測量中，豎井坐標傳遞的誤，差將使地下導線的各點產生統一數值的位移，對貫通誤差的影響是一個常數[9]，在貫通面上所引起的橫向誤差約等于傳遞坐標在垂直于隧道軸線方向的誤差。方位角傳遞的誤差，將使地下道線各邊長方位角轉動一個誤差值，對貫通誤差的影響將隨著地下導線的增加而增加[9]，如圖4所示，1、2、3、4是地下導線的正確位置，1′、2′、3′、4′是加入方位角傳遞誤差后的位置，在貫通面上引起的橫向誤差為Mq向：

(4)

圖4 起始方位角誤差對貫通的影響示意

由表1可知，聯系測量中誤差限值為25 mm，則地下導線起始邊方位角中誤差的允許值：

取起始邊方位角允許值的3/5作為目標值，則在忽略坐標傳遞誤差的影響下，聯系測量儀器的橫向貫通誤差值為：

為達到上述要求應盡量做到：① 聯系三角形的兩個銳角α、β接近于零，不管何種情況下都不能大于3°；②b與a的比值應以1:5為宜；③ 兩個錘球間距a應盡可能大；④ 傳遞坐標方位角時，選擇經過小角的路線。

每次獨立測量3測回，每測回讀數3次，各測回較差應小于1 mm；地下與地上丈量的鋼絲間距較差應不大于2 mm；角度用方向觀測法觀測6個測回，測回間角度較差不應大于6″。

2.3地下導線網

受限于隧道的直徑或開挖寬度，地下控制網的形狀通常形成延伸狀。地下導線的類型有附合導線、閉合導線、方向附合導向、支導線和導線網等。對于盾構方式掘進的水工隧道，左右線之間很少建設橫通道，導致地下控制網多為支導線，或一端采用陀螺經緯儀定向的方向附合導線。鑒于陀螺經緯儀可以增加地下導線的精度和貫通精度[10-12]，本區間隧道采用地下導線環，即從井下起始邊開始分兩條支導線形式布設，兩條支導線間每隔2～3個點形成閉合環。地下導線示意見圖5。

圖5 地下導線示意

對于等邊直伸的地下支導線，導線的測角誤差引起橫向誤差，而量邊誤差與橫向誤差無關[13]。由測角引起的橫向貫通誤差可表示為：

(5)

式中n為支導線的邊數；s為導線的平均邊長，mm；mβ為導線的測角中誤差，″。

根據式(5)對不同導線平均邊長、不同測角中誤差情況下，導線引起的橫向貫通誤差計算見表4。

表4 地下支導線引起的橫向貫通誤差 mm

=21.8 mm。

因此，地面、地下控制測量和豎井聯系測量對隧道總的橫向貫通誤差為：

=±26.5 mm<50 mm。

3 結語

地面GPS控制測量、地下導線網測量和豎井聯系測量對隧道橫向貫通誤差分別為4.75 mm、14.3 mm和21.8 mm，均在誤差允許值范圍內，對隧道總的橫向貫通中誤差為26.5 mm小于規范要求的50 mm，精度達到工程質量要求。

通過對區間隧道平面控制測量3個關鍵環節及其誤差的分析，豎井聯系測量和地下導線網對橫向貫通誤差的影響較大，其中的聯系測量對地下導線網的起始邊方位角的要求較高，且豎井聯系測量容易受施工狀況和環境狀況等的影響，因此合理的確定聯系測量的方法，并嚴格執行方案，增加聯系測量間的檢核，才能確保聯系測量對地面GPS控制網和地下導線網的測量誤差滿足規范要求。從而為隧道貫通測量提供合格的起算點和方位角。